徐松林,王鵬飛,趙 堅,胡時勝

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)院材料力學(xué)行為和設(shè)計重點實驗室,安徽合肥230027; 2.莫納什大學(xué)土木工程系,澳大利亞墨爾本維多利亞3180)

基于三維Hopkinson桿的混凝土動態(tài)力學(xué)性能研究*

徐松林1,王鵬飛1,趙 堅2,胡時勝1

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)院材料力學(xué)行為和設(shè)計重點實驗室,安徽合肥230027; 2.莫納什大學(xué)土木工程系,澳大利亞墨爾本維多利亞3180)

混凝土、巖石類材料在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的動態(tài)力學(xué)性能研究一直備受關(guān)注,但鑒于動態(tài)實驗的復(fù)雜性,對真三軸應(yīng)力狀態(tài)下材料的動態(tài)加載一直未曾實現(xiàn)。本文中研制了一套真三軸靜載作用下混凝土、巖石類材料的“三維Hopkinson桿”動態(tài)力學(xué)實驗系統(tǒng),為沖擊載荷作用下材料動態(tài)各向異性特性的研究提供了一種有效的實驗測試技術(shù)。該系統(tǒng)采用液壓伺服控制對立方體試件施加三向獨立的0～100 MPa真三軸靜載,再利用分離式Hopkinson壓桿對試件施加沖擊動載,具體研究了C30混凝土材料在不同真三軸靜載條件下的動態(tài)壓縮性能,得到了不同條件下X、Y、Z方向上的動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。

動態(tài)力學(xué)性能;真三軸靜態(tài)加載;混凝土;三維Hopkinson壓桿

混凝土、巖石類材料一般處在復(fù)雜的三向應(yīng)力狀態(tài)下(σx,σy,σz),其力學(xué)性質(zhì)呈現(xiàn)非連續(xù)、非均勻和各向異性等特點,在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)性能一直是學(xué)者們關(guān)心的問題。隨著地下工程、水利工程往深度與廣度發(fā)展,尤其是深部巖土工程、大陸深鉆井等超大型科學(xué)項目的推進(jìn),研究復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的混凝土、巖石類材料的動態(tài)強(qiáng)度和變形特性,對于地震機(jī)制以及工程應(yīng)用等領(lǐng)域的研究都具有重要意義[1]。目前,關(guān)于單軸動態(tài)加載下混凝土類材料力學(xué)性能的研究比較多[2],對復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下混凝土、巖石類材料在沖擊載荷作用下的強(qiáng)度與變形特性的研究主要是在Hopkinson壓桿[3-4]的基礎(chǔ)上采用主動圍壓裝置,其初始的靜載為側(cè)向等圍壓狀態(tài),即σy=σz。李海波等[5]采用一種巖石高壓動三軸實驗系統(tǒng)分別對不同地區(qū)的花崗巖開展了圍壓在20～170 MPa、應(yīng)變率在10-4～100s-1范圍的三軸壓縮實驗。李夕兵等[6]在已有的霍普金森壓桿主動圍壓裝置上增加了軸向加載油缸,分別對試件進(jìn)行圍壓和軸壓的預(yù)加載,但其初始的靜載仍為側(cè)向等圍壓狀態(tài)。張磊等[7]進(jìn)一步通過在液壓系統(tǒng)中串聯(lián)接入大容量均衡油缸同步對試件施加圍壓和軸壓,實現(xiàn)了三向圍壓。然而三向壓力相等與實際情況不符,而且其壓力幅值受到限制。而我們需要得到能反映工程實際中的真實三軸應(yīng)力(σx≠σy≠σz)狀態(tài)。目前,動態(tài)載荷作用下的真三軸加載技術(shù)尚處于初級階段,E.Cadoni等[8-9]提出了真三軸靜載與SHPB(split Hopkinson pressure bar)裝置結(jié)合的實驗設(shè)想,即試件初始由靜載加載到真三軸應(yīng)力狀態(tài),而后在某一個方向施加沖擊載荷。這種設(shè)想可用來模擬真三軸應(yīng)力狀態(tài)下巖石所處的真實地應(yīng)力水平,這與深埋巖石所受的地震等動態(tài)載荷主要來自于某一個方向相類似。Zhang Q B等[10]和Zhao J等[11]多次介紹了此實驗思想在深埋巖石工程中的重要作用,但目前尚沒有進(jìn)行混凝土、巖石類材料真三軸靜載應(yīng)力狀態(tài)下沖擊特性實驗的設(shè)備。

因此,發(fā)展一種可以對試件施加真三軸靜載應(yīng)力狀態(tài),并能監(jiān)測到?jīng)_擊加載過程中試件6個面上動態(tài)應(yīng)力狀態(tài)的實驗裝置,對于準(zhǔn)確揭示混凝土、巖石類材料在不同應(yīng)力路徑下的動態(tài)變形及破壞強(qiáng)度和機(jī)制有重要意義。本文中,在此基礎(chǔ)上研制一種可用于研究不同初始應(yīng)力狀態(tài)下材料的動態(tài)變形及破壞響應(yīng)的“三維Hopkinson桿”實驗系統(tǒng),并對C30混凝土材料進(jìn)行深入探討。

1 真三軸靜載下混凝土類材料的“三維Hop k i nson壓桿”實驗系統(tǒng)[12]

如圖1(a)～(b)所示,試件采用50 mm×50 mm×50 mm的立方體,放在6根方桿中間。整個動態(tài)實驗系統(tǒng)的裝配和實物如圖1(c)～(d)所示。在沖擊加載之前,試件的3個主方向采用液壓伺服控制系統(tǒng)同時施加各自所需要的應(yīng)力,并保持穩(wěn)定的真三軸靜載狀態(tài)。沖擊過程中立方體試件6個面的動態(tài)響應(yīng)與損傷演化可以通過3個維度上6根方桿上的應(yīng)變片信號來分析。

圖1 三維Hopkinson桿動態(tài)實驗設(shè)備Fig.1 3D-Hopkinson bar dynamic testing system

此實驗系統(tǒng)中6根方桿的截面為50 mm×50 mm,X方向入射桿長度為2 500 mm,透射桿長度為2 000 mm;Y方向的2根桿的長度均為2 000 mm;Z方向的2根桿的長度均為1500 mm。實驗裝置3個方向的方桿長度遠(yuǎn)大于試件的尺寸,因而能很好地滿足SHPB的一維假定和試件均勻假定。氣炮的子彈長度不超過500 mm,可確保能在6根桿上記錄到完整的應(yīng)力波形。X、Y、Z3個方向采用液壓伺服控制系統(tǒng)施加的最大靜載均可達(dá)到100 MPa,X方向上子彈的最大沖擊速度為50 m/s,其另一端則安裝有能量吸收裝置。

不同應(yīng)力狀態(tài)下三維Hopkinson桿的基本原理與傳統(tǒng)的一維分離式Hopkinson壓桿實驗技術(shù)是完全相同的,都要遵循“桿中一維應(yīng)力波”假定和“試件應(yīng)力/應(yīng)變均勻化”假定。試件上作用的實際載荷σ為各方向的靜載荷σs和動載荷σd。其中,靜載荷σs按實際施加的載荷計算;動載荷σd可根據(jù)各方向的沖擊實驗波形分別處理,并應(yīng)用傳統(tǒng)的分離式Hopkinson壓桿的數(shù)據(jù)處理公式得到試件在真三軸靜載荷σs作用下,X、Y、Z方向隨時間變化的應(yīng)變率應(yīng)變εx,d和應(yīng)力σx,d。“三維Hopkinson桿”不僅僅是一種真三軸靜載作用下材料的分離式Hopkinson壓桿動態(tài)力學(xué)性能測試系統(tǒng),而且利用Y、Z軸方向的方桿可以記錄到材料在X軸沖擊載荷作用時,側(cè)向2個維度的動態(tài)響應(yīng)狀態(tài)。在Y或Z方向,利用2根桿上的應(yīng)變片信號可以直接得到試件兩端的質(zhì)點速度和應(yīng)力狀態(tài),利用下式:

可以計算出試件在垂直于沖擊的兩個方向的應(yīng)變率,通過如下公式:

可以得到試件在這兩個方向的應(yīng)力和應(yīng)變。試件在垂直于X沖擊方向的Y方向和Z方向上的應(yīng)變和應(yīng)力的數(shù)據(jù)處理公式相同。式中:A0為方桿的截面積,Ak和Lk分別為k方向(k為Y或Z)試件的初始截面積和長度;εk,left、εk,right分別為:k為Y方向時,Y方向左、右方桿上的信號;或k為Z方向時,Z方向上、下方桿上的信號,實驗要求試件的截面積與桿的截面積相等。在“三維Hopkinson桿”系統(tǒng)的單向沖擊加載下,由于材料的泊松效應(yīng)導(dǎo)致試件在側(cè)向也具有一定的變形速率,利用此套實驗系統(tǒng)可以有效地分析材料在3個維度方向的變形特性和動態(tài)泊松效應(yīng)。

2 混凝土材料C30的“三維Hop k i nson壓桿”實驗

2.1 實驗方案

實驗中采用的C30混凝土,主要由水、水泥、標(biāo)準(zhǔn)砂、粗骨料以一定配合比制得。實驗過程主要由三軸靜載應(yīng)力(σx≠σy≠σz)的施加和X方向沖擊加載2個階段組成。首先采用液壓伺服控制對C30混凝土試件同步施加無靜載、雙軸靜載,以及三軸靜載等3種應(yīng)力狀態(tài)的靜載值,再利用氣炮驅(qū)動子彈,在X方向進(jìn)行真三軸靜載下的分離式Hopkinson壓桿實驗。通過6根桿上的應(yīng)變片,適時記錄沖擊過程中的應(yīng)變波形。

2.2 實驗波形分析

真三軸靜載下的動態(tài)實驗實測到的原始波形如圖2所示。X沖擊方向的3個波滿足常規(guī)的SHPB實驗的基本假定;Y方向的2個波和Z方向的2個波均具有較好的一致性。

圖2 在靜載[15 MPa,6 MPa,10 MPa]、沖擊速度13.2m/s下6根桿上的典型信號Fig.2 Recorded wave profiles in six bars under[15 MPa,6 MPa,10 MPa]triaxial static load and impact velocity 13.2 m/s

如圖3所示,入射波形卸載后的基線并非為零,而是實驗第1階段施加的靜載(30、45、60 MPa)。在實驗的第2階段之初,即沖擊加載過程,X桿上的載荷又疊加上與打擊桿速度成正比的沖擊載荷,與此同時,方桿的端部與反力支架已經(jīng)脫開;之后的沖擊卸載過程,其起始點為D,由于方桿端部已不受反力支架約束,其終止點應(yīng)該是A,而不是E。之后則由于反力支架的彈簧作用,最初施加的靜載又開始作用,這主要表現(xiàn)在圖3中從點A到點B到點C,逐漸向基線靠攏。

圖3 不同靜載、沖擊速度19 m/s下X軸的入射波波形Fig.3 Incident waveform ofX-axis under different static loads and impact velocity 19 m/s

2.3 應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

圖4為試件在X、Z軸加靜載(30 MPa),Y軸不加靜載,且Y軸2根方桿不與試件接觸下的動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。如圖4(a)所示,分離式Hopkinson桿動態(tài)加載的X軸應(yīng)力隨沖擊速度的增大而增大,試件尚未破壞。當(dāng)沖擊速度達(dá)到14.23 m/s時,試件破壞失效。Z軸上受到試件泊松比的影響,也會產(chǎn)生一些信號,此應(yīng)力值隨著沖擊速度的增大而不斷提高。

圖4 試件在X、Z雙軸靜載[30 MPa,0,30 MPa]下的動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.4 Dynamical stress-strain curves of the specimen underX,Zbiaxial static load[30 MPa,0,30 MPa]

如圖5(a)所示,試件在傳統(tǒng)的一維Hopkinson桿加載下(無三軸靜載),較低沖擊速度(13.0 m/s)即可使試件破壞失穩(wěn)。隨著靜載的應(yīng)力狀態(tài)由無靜載到三軸靜載(60 MPa),X方向動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系由線性段,而后發(fā)展到有較長的“塑性變形”階段。這也表明:真三軸靜載狀態(tài)下材料的屈服階段變得較復(fù)雜,這需要進(jìn)一步描述。三軸靜載下的樣品在單軸施加沖擊載荷,由于動態(tài)泊松效應(yīng),必然引起試件在Y、Z方向的變形。實驗得到Y(jié)、Z方向的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系具有很好的重復(fù)性,如圖5(b)所示,這是由于Y和Z軸的靜載力相等。當(dāng)Y和Z軸的靜載力不相等時,其對應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系也會不一致。與傳統(tǒng)的基于Hopkinson桿的主動圍壓實驗不同的是此“三維Hopkinson桿”實驗系統(tǒng)可以提供不同的靜載條件,得到試件在3個方向上的動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系,可以測試材料在動態(tài)加載下的各向異性特性。

圖5 試件在三軸靜載[60 MPa,60 MPa,60 MPa]、單軸沖擊(21.8 m/s)下的動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.5 Dynamical stress-strain curves of the specimen under triaxial static load[60 MPa,60 MPa,60 MPa] at the impact velocity of 21.8 m/s

在無靜載、雙軸靜載以及三軸靜載等3種應(yīng)力狀態(tài)下,C30混凝土試樣單軸沖擊破壞的形貌如圖6所示。當(dāng)無靜載作用時,試件周圍處于自由狀態(tài),沖擊加載下混凝土發(fā)生較嚴(yán)重的碎裂,如圖6(a)所示。當(dāng)在X和Y方向?qū)υ嚰┘与p向靜載時,試件Z方向的2個面處于自由狀態(tài),當(dāng)在X方向沖擊加載試件時,試件的破壞呈現(xiàn)明顯的層狀剝離的現(xiàn)象,碎塊剝離的層面與Z軸垂直,如圖6(b)所示。這種層狀剝離破壞面的存在揭示出試件破壞模式對應(yīng)力狀態(tài)的依賴性,即破裂面一般垂直于最小主應(yīng)力的方向,這與高地應(yīng)力區(qū)域巖芯餅狀碎裂的機(jī)制相同,可為巖爆的模擬[13-14]提供一種新的物理模擬方法。當(dāng)在試件的3個方向都施加一定的真三軸靜載時,試件在受單向沖擊力的作用下一般不會產(chǎn)生明顯的破壞,如圖6(c)所示。由于試樣各個面都受到限制,其失效發(fā)生在材料的內(nèi)部,如圖6(c)中的白色條帶。一般情況下,試件在三軸靜載狀態(tài)(σx=σy=σz)下很難沖擊破壞,可以通過改變沖擊前的三軸應(yīng)力狀態(tài),例如減小其中某一個方向上的應(yīng)力以增加剪切應(yīng)力,然后再進(jìn)行沖擊,可使試件產(chǎn)生明顯的破壞特征。

圖6 不同實驗條件下混凝土試樣破壞形態(tài)Fig.6 Failure patterns of concrete specimens under different lateral confinement conditions

3 結(jié) 論

本文介紹了一種“三維Hopkinson桿”實驗系統(tǒng),通過此系統(tǒng)可以研究混凝土、巖石類材料在不同真三軸靜載條件下的動態(tài)壓縮性能。實驗分析了不同靜載條件下C30混凝土3個方向上的動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。此實驗系統(tǒng)為研究動態(tài)載荷作用下材料的各向異性特性提供了一種有效的實驗技術(shù)。

參加本文實驗工作的還有研究生施春英、單俊芳、張鳴、周李姜;調(diào)試過程得到了洛陽利維科技公司的大力協(xié)助,在此謹(jǐn)表謝意!

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Dynamic behavior of concrete under static triaxial loading using 3D-Hopkinson bar

Xu Songlin1,Wang Pengfei1,Zhao Jian2,Hu Shisheng1
(1.CAS Key Laboratory for Mechanical Behavior and Design of Materials,University of Science and Technology of China,Hefei230027,Anhui,China; 2.Department of Civil Engineering,Monash University,Victoria3180,Melbourne,Austrilia)

A type of 3D-Hopkinson bar dynamic testing system for investigating the dynamic behavior of concrete and rock under static triaxial loading was developed.The hydraulic servo control system employed in the testing system could provide independent triaxial pressure up to 100 MPa,and the split Hopkinson pressure bar employed in the impacting direction could provide dynamic loads.The dynamic responses on six faces of the cube specimen can be recorded by six bars in three dimensions, the lateral deformation states of the specimen under dynamic loading were obtained and analyzed by using this novelty Hopkinson bar.The dynamic compressive behaviors of C30 concrete under different static triaxial loading were investigated.

dynamic behavior;static triaxial loading;concrete;3D-Hopkinson pressure bar

O347.3國標(biāo)學(xué)科代碼:13035

:A

10.11883/1001-1455(2017)02-0180-06

(責(zé)任編輯 張凌云)

2017-01-06;

:2017-01-19

Australian Research Council Project(LE150100058);國家自然科學(xué)基金項目(11272304,11472264,11672286)

徐松林(1971— ),男,博士,副教授,slxu99@ustc.edu.cn。